CBN Kaplama Teknolojisi ve Uygulamaları, Prof.Dr. Bilgin
CBN Kaplama Teknolojisi ve Uygulamaları, Prof.Dr. Bilgin
CBN Kaplama Teknolojisi ve Uygulamaları, Prof.Dr. Bilgin
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
BOR ÇALIġTAYI<br />
<strong>CBN</strong> <strong>Kaplama</strong> <strong>Teknolojisi</strong> <strong>ve</strong><br />
<strong>Uygulamaları</strong><br />
<strong>Prof</strong>. <strong>Dr</strong>. <strong>Bilgin</strong> Kaftanoğlu<br />
ĠMALAT MÜHENDĠSLĠĞĠBÖLÜM<br />
BAġKANI<br />
ATILIM ÜNĠVERSĠTESĠ<br />
ANKARA<br />
14.06.2011
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
AraĢtırmanın Amacı<br />
Bu araştırmada, imalat sanayinde kullanılan <strong>ve</strong> değişik taban<br />
malzemelerden üretilen kesici takımların, makine <strong>ve</strong> kalıp parçalarının<br />
üzerinde BOREN - TUBİTAK projesinde geliştirilen PVD sitemi ile bor<br />
içeren kübik nitrür (<strong>CBN</strong>) kaplamaların yapılması gerçekleştirilmiştir.<br />
Bu yöntemin uygulanması sonucu:<br />
Kesme sırasındaki performansların iyileştirilmesi<br />
Yüksek hızda kesme<br />
Kuru kesme<br />
Sert malzemelerin kesilmesi gibi uygulamaların yanı sıra,<br />
Çok katmanlı kaplama sistemlerinin geliştirilmesi de amaçlarının<br />
arasındadır.<br />
Araştırma-geliştirme çalışmalarının, Türkiye’de yapılmış olması, ülke<br />
ekonomisine katma değer <strong>ve</strong> bilgi birikimi yaratması da projenin esas<br />
amaçlarındandır.<br />
2
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Projenin Kapsamı<br />
<strong>Kaplama</strong>lar, yaygın olarak kesici takım yüzeylerine<br />
uygulanmaktadır. Esas amaç aşınma direnci, sertlik gibi mekanik<br />
özelliklerin iyileştirilmesi <strong>ve</strong> dolayısıyla takım ömrünün<br />
artırılmasıdır.<br />
Kübik Bor Nitrür (<strong>CBN</strong>) ilk olarak 1956 yılında üretilmiş olup, sahip<br />
olduğu üstün özellikleri sayesinde kısa zamanda popüler hale<br />
gelmiştir. Sertlik özelliği açısından elmastan sonra gelmektedir.<br />
Ayrıca, yüksek ısıl iletkenliğe, aşınma <strong>ve</strong> paslanmaya karşı<br />
yüksek dirence, düşük sürtünme katsayısına sahip olup kararlı bir<br />
malzemedir. Ancak, <strong>CBN</strong> sanayide sinterlenmiş tozdan imal<br />
edilmiş takma kesici uçlar olarak kullanılmaktadır. <strong>Kaplama</strong> olarak<br />
kullanılması yürütücünün BOREN - TÜBİTAK 105 M 370 projesi<br />
ile başlatılmıştır.<br />
Araştırma bünyesinde kesici takım <strong>ve</strong> kalıpların, <strong>CBN</strong> kaplı hale<br />
getirilerek, <strong>CBN</strong>'in özellikleri kazandırılmıştır.<br />
3
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Projenin Kapsamı<br />
Geleceğin malzemesi olarak bilinen bor, kesici takım <strong>ve</strong><br />
kalıpları <strong>CBN</strong> ile kaplanarak katma değere<br />
dönüştürebileceğimiz bir çalışmadır. Bor'un, dünyada en<br />
fazla rezervi ülkemizde bulunduğu düşünüldüğün de,<br />
borun yüksek katma değer yaratan bir ürüne<br />
dönüştürülebilmesi son derece büyük bir önem arz<br />
etmektedir.<br />
Özetle, bu çalışmada kesici takım <strong>ve</strong> kalıpların <strong>CBN</strong><br />
kaplanarak, sanayide kullanılan kesicilerin performansının<br />
artırılması, kullanım ömürlerinin iyileştirilmesi <strong>ve</strong> yüzey<br />
özelliklerinin de geliştirilmesi proje kapsamı dahilindedir.<br />
4
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Özgün Değer<br />
<strong>CBN</strong> kaplamalar Türkiye'de ilk kez proje yürütücüsü <strong>ve</strong> ekibi<br />
tarafından yapılmıştır. Dünyaya bakıldığında ise çok az<br />
araştırıcı tarafından araştırılmaktadır. <strong>CBN</strong> kaplamalar, imalat<br />
sektöründe kullanılan kesici takımların yanı sıra kalıpların<br />
kaplanmasında da giderek büyük bir önem kazanmaktadır. Yeni<br />
bir teknoloji olan <strong>CBN</strong>'nin <strong>ve</strong> PVD yöntemleri ile metalin<br />
kaplanması, imalat sektörüne maliyet <strong>ve</strong> zaman açısından<br />
<strong>ve</strong>rimlilik kazanımı sağlayacaktır.<br />
Daha önce yapılan çalışmalara bakıldığında, kalıpların üzerinde<br />
kesici takımlara nazaran daha az çalışma yapıldığı <strong>ve</strong><br />
ülkemizde uygulamada kullanılmadığı, ticarileşmediği,<br />
performans değerlendirilmesine dair herhangi bir çalışma<br />
bulunmadığı nedeni ile, araştırmamız, bu yönü ile imalat<br />
sektörüne özgün bir değer katmayı amaçlamaktadır.<br />
5
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Kesici Takım Malzemelerinin KarĢılaĢtırılması<br />
6
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
<strong>Kaplama</strong>lar<br />
• Sert <strong>Kaplama</strong>lar, kesici takımların yüzeyine uygulanarak sertliklerini <strong>ve</strong><br />
aşınma dirençlerini artırmaktadır.<br />
• Sert <strong>Kaplama</strong>lardan bugünkü teknoloji kapsamında bilinenler <strong>ve</strong><br />
uygulananlar:<br />
•<br />
• TiN, TiC, TiCN, TiAlN, CrN, Al2O3..<br />
• Ancak çok yüksek hızlarda, bu kaplamalar da yüksek sıcaklık açısından<br />
yeterli olmamaktadır.<br />
• Bu nedenle, yeni kaplamaların <strong>ve</strong> teknolojilerin geliştirilmesine gereksinim<br />
vardır.<br />
• cBN (Cubic Boron Nitride) kaplama bu tür kaplamalara <strong>ve</strong> teknolojiye bir<br />
örnektir.<br />
7
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
cBN’in Diğer Malzemelerle KarĢılaĢtırı lması<br />
8
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
YaygınEtki/Katma Değer<br />
Daha önce tamamlanmış olan <strong>CBN</strong> kaplama projesi<br />
( BOREN - TÜBİTAK 105 M 370) başarılı sonuçlar<br />
<strong>ve</strong>rmiştir. Son yıllarda laboratuar ortamında yaygın<br />
olarak denenen <strong>CBN</strong> kaplamaların kullanım alanları<br />
düşünüldüğünde geliştirilebilecek bir ürün (kesici<br />
takım, dövme, sac metal şekillendirme kalıpları, roll<br />
forming makaraları vb.) ülke ekonomisi için yaratacağı<br />
katma değer daha iyi anlaşılmaktadır.<br />
Bilimsel açıdan bakılacak olursa projede uygulanan<br />
yöntem <strong>ve</strong> kullanılan malzemeler ülkemizde denenmiş<br />
bir özgün teknolojidir.<br />
9
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Yöntem<br />
<strong>CBN</strong> kaplamaların elde edilmesi için ( BOREN - TÜBİTAK<br />
105 M 370) projesinde kullanılan BOR-N fiziksel<br />
buharlaştırma yöntemiyle büyütme düzeneği kullanılmıştır.<br />
Bu sistem yüksek vakum ortamında çalışan, çift<br />
magnetronlu, reaktif saçtırma yapabilen kaplama<br />
düzeneğidir. <strong>Kaplama</strong> sırasında taban malzemelere rf-voltajı<br />
uygulanabildiği gibi, taban malzemelerinin yüzey<br />
modifikasyonu için, yüzeyler mikrodalga plazmaya da maruz<br />
bırakılabilirler. Taban malzemeler istenen sıcaklığa<br />
ısıtılabilirler <strong>ve</strong> istenirse parçaların üzerine monte<br />
edilebileceği döner tabla yardımıyla taban malzemeler<br />
döndürülebilir.<br />
Kaplanan malzemelerin nitelendirilmesi için birçok farklı<br />
teknik <strong>ve</strong> analiz yöntemi kullanılmaktadır.<br />
10
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Yöntem<br />
Yapısal <strong>ve</strong> birleşimsel karakterizasyon için Fourier Infrared<br />
Transform Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffaraction (X-RD), Xray<br />
Photoelectron Spectroscopy (XPS), Taramalı elektron<br />
mikroskobu (SEM) gibi birçok yöntem imkanlar dahilinde<br />
kullanılmıştır.<br />
Mekanik karakterizasyon için sertlik, sürtünme katsayısı,<br />
kalınlık, yapışkanlık gibi özellikleri belirlenmiştir. Bu ölçümlerin<br />
yapılabilmesi için üni<strong>ve</strong>rsitelerin <strong>ve</strong> özel sektörün imkânları,<br />
örneğin: Nanoindentation, Scratch Tester, Tribometer, Calotest<br />
gibi cihazlar kullanılmıştır.<br />
Ayrıca sanayi uygulamalarında kesici takım performansları<br />
gözlemlenecek, takım ömrü, kesici kuv<strong>ve</strong>t <strong>ve</strong> aşınma direnci<br />
gibi özelliklerdeki değişiklikler ölçülmüştür.<br />
11
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Ġlgi li Yayınlar<br />
[1] H.Cesur, B.Kaftanoglu, A.Kalkanli, B.Oral, “Deposition of<br />
Boron Nitride Coatings on Steel Substrates by RF Magnetron<br />
Sputtering”, 7th International Conference on Coatings,<br />
September 2008, Thessaloniki, Greece<br />
[2] H.Cesur, B.Kaftanoglu, “An Experimental Study About cBN<br />
Formation for Cutting Tools”, 5th International Conference and<br />
Exhibition on Design and Production of Machines and<br />
Dies/Molds, June 2009, Kuşadası, Turkey<br />
[3] H.Cesur, B.Kaftanoglu, T.Özel, “Machining Performance of<br />
cBN Coated Cutting Tools for Die/Mold Applications”, 5th<br />
International Conference and Exhibition on Design and<br />
Production of Machines and Dies/Molds, June 2009, Kuşadası,<br />
Turkey<br />
[4] Cesur H., Kaftanoglu B., Kalkanli A., Oral B., “Bor nitrür<br />
kaplamaların çelik alttaşlar üzerinde RF magnetron saçtırma<br />
yöntemiyle büyütülmesi”, Makine Tasarım İmalat Dergisi, Kasım<br />
2010<br />
12
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
AraĢtırma Olanakları<br />
Atılım Üni<strong>ve</strong>rsitesi Metal Şekillendirme<br />
Mükemmeliyet Merkezi ( MŞMM) İçerisinde yer alan<br />
aşağıdaki araştırma olanakları da kullanılmaktadır.<br />
1- BOR-N PVD Sistemi<br />
2- Taramalı elektron mikroskobu SEM (Zeiss)<br />
3- Sertlik <strong>ve</strong> Mikro-sertlik cihazı (Zwick)<br />
4- X-Işınımı kırınım cihazı (XRD) (Seifelt)<br />
5- Metal Mikroskobu (Nikon)<br />
6- Isıl işlem fırını <strong>ve</strong> numune saklama buzdolapları<br />
7- Hassas kesme / Bakalite alma/ Zımparalama-<br />
Parlatma (Struers)<br />
8- Paralel işlemcili süper bilgisayar sistemi<br />
9- 400, 300 <strong>ve</strong> 80 tonluk presler<br />
10-CNC torna <strong>ve</strong> dik işleme merkezleri<br />
13
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Metal ġekillendirme Mükemmeliyet<br />
Merkezi<br />
Atılım Üni<strong>ve</strong>rsitesi<br />
Ankara<br />
14 Ağustos, 2011<br />
14
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
<strong>CBN</strong> <strong>Kaplama</strong> Sistemi<br />
BOR-N PVD Sistemi<br />
Alt Birimler:<br />
� Vakum Odacığı<br />
� Kontrol Paneli<br />
� Gazlar<br />
� Bilgisayar<br />
* Bu Sistem BOREN <strong>ve</strong><br />
TUBITAK Desteği ile<br />
Türkiye’de tasarlanmış <strong>ve</strong><br />
İmal edilmiştir<br />
15
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Özellikler:<br />
�10-7 Torr’a kadar vakum<br />
�Alttaşın Orbital <strong>ve</strong> Eksenel<br />
döndürülmesi<br />
�Kontrollu Gaz Akışı<br />
�400 °C’ye kadar ısıtma<br />
�Su soğutması<br />
Vakum Odacığı<br />
Alt Birimler:<br />
�İki magnetron<br />
�Mekanik& Turbo Pompa<br />
�Döner Tabla<br />
�DC, RF and Microdalga Güç<br />
�Isıtıcılar<br />
�Vanalar <strong>ve</strong> ölçü<br />
aletleri<br />
16
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Kontrol Paneli & Gazlar<br />
Sigortalar<br />
Basınç Göstergeleri<br />
AÇMA/KAPAMA<br />
Düğmeleri<br />
Basınç Vanası<br />
Kontrolu<br />
Gaz AkıĢ<br />
Kontol Paneli<br />
DC Güç Kaynağı<br />
RF Güç Kaynağı<br />
Microdalga Güç<br />
Kaynağı<br />
Bilgisayar<br />
Ar O2<br />
N2 H2 C2H2<br />
17
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
HBN Hedef Plakalar<br />
� cBN <strong>Kaplama</strong> için hBN Hedef Plaka kullanılmıştır.<br />
Eskişehir Anadolu Uni<strong>ve</strong>rsity<br />
tarafından üretilen hBN Hedef Plaka<br />
Molibden Plaka üzerine monte<br />
edilmiş hBN Hedef Plaka<br />
18
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Boron Nitrür Fazları<br />
h-BN: Yumuşak <strong>ve</strong> kaygan c-BN: Sert <strong>ve</strong> kaygan<br />
hBN crystal structure cBN crystal structure<br />
19
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
AlttaĢlar<br />
Matkap <strong>ve</strong> Klavuzlar Dişli Azdırma Çakısı<br />
Ekstrüzyon Kalıbı Zımba<br />
Rotor<br />
20
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Transmittance<br />
Fourier Transform Infrared Spectroscopy<br />
1500 1356 1211 1066 922 777 633<br />
Wa<strong>ve</strong> number(cm-1)<br />
100V<br />
150V<br />
200V<br />
IcBN<br />
cBN%<br />
� �100%<br />
I � I<br />
cBN hBN<br />
(FTIR)<br />
Transmittance<br />
1500 1356 1211 1066 922 777 633<br />
Wa<strong>ve</strong> number (cm-1)<br />
(a) FTIR spectra of BN films deposited at 200 ºC, (b) FTIR spectra of BN films deposited at 250 ºC<br />
%75 c-BN at<br />
200 ºC and<br />
200V<br />
100V<br />
150V<br />
200V<br />
21
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Intensity<br />
X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)<br />
197 195 193 191 189 187 185<br />
Binding Energy(eV)<br />
Intensity<br />
404 402 400 398 396 394 392<br />
Binding Energy (eV)<br />
XPS spectra of BN films(deposited at 200 ºC and 100 V) near the 1s binding energies<br />
of B and N atoms<br />
�Peaks of single chemical states (B1s and N1s) were re<strong>ve</strong>aled at<br />
binding energies of 190.3 and 397.5 respecti<strong>ve</strong>ly.<br />
�From compositional XPS analysis ratio of B/N=1.1 was deduced<br />
which indicates that nearly stoichiometric films ha<strong>ve</strong> been formed.<br />
22
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
X-Ray Diffraction (XRD)<br />
Peaks belong to cubic phase of boron nitride are<br />
obser<strong>ve</strong>d at 45.5⁰, 49.4⁰ and 73.2⁰ respecti<strong>ve</strong>ly<br />
23
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Scanning Electron Microscope (SEM)<br />
EDX analysis results<br />
showing elemental<br />
proportion of BN<br />
coating<br />
24
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
• Indenter Type: Berkovich<br />
• Approach Speed: 2000 nm/min<br />
• Loading Type: Linear<br />
• Loading Speed: 60 mN/min<br />
• Maximum Load: 30 mN<br />
• Unloading Speed: 60 mN/min<br />
Nano Hardness Measurement<br />
<strong>CBN</strong>-1<br />
cBN-1<br />
<strong>CBN</strong>-2<br />
cBN-<br />
2<br />
<strong>CBN</strong>-TiN<br />
cBN-TiN<br />
25
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Friction Coefficient Measurements<br />
μ ~ 0.5<br />
against Alumina<br />
�<br />
Tribometer test conditions:<br />
�Normal load: 1 N<br />
�Ball: Alumina<br />
�Ball radius: 6 mm<br />
�Lineer speed: 5 cm/s<br />
�Radius : 5 mm<br />
�Distance: 50 m<br />
1,00<br />
0,80<br />
0,60<br />
0,40<br />
0,20<br />
0<br />
0<br />
10,00 20,00 30,00 40,00 50,00<br />
Dis tan ce on Tribometer [ m]<br />
26
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Adhesion Measurement<br />
Micro-scratch tester device in the facilities of<br />
Mechanical Engineering Department of<br />
Erzurum Ataturk Uni<strong>ve</strong>rsity.<br />
• Progressi<strong>ve</strong> loading at a rate of 100N/min<br />
• Starting load 0.2 N<br />
• Final load 80 N<br />
• Diamond indenter nose radius of 200 μm<br />
• Indenter speed 10 mm/min<br />
• Scratch length is 8 mm<br />
27
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
• Indenter type: Sphericalconical<br />
90⁰<br />
• Indenter radius: 5 μm<br />
• Starting Load: 3 mN<br />
• Final load: 200 mN<br />
• Scratch length: 2 mm<br />
• Indenter speed: 4 mm/min.<br />
Nano Scratch Tests<br />
Failure at the first and second critical loads. (108 mN and 183 mN)<br />
28
ATILIM<br />
ÜNİVERSİTESİ<br />
Savunma Sanayiinde Uygulama<br />
Alanları<br />
• Yüksek sertlikte malzemelerin üretilmesi<br />
• Yüksek sıcaklığa dayanım<br />
• Aşınma direnci fazla olması istenilen parçaların<br />
üretimi<br />
• Inert yüzey özelliklerinin istenmesi<br />
• Düşük sürtünme katsayısı gerektiren ürünlerin<br />
üretimi<br />
• Mikrop barındırmayan yüzeylerin üretilmesi<br />
29
KONFERANS DUYURUSU<br />
6th INTERNATIONAL CONFERENCE and EXHIBITION<br />
on<br />
DESIGN and PRODUCTION<br />
of<br />
MACHINES and DIES/MOLDS<br />
www.diemold.org<br />
June 23 - 26, 2011<br />
ATILIM UNIVERSITY<br />
ANKARA-TÜRKİYE
TEŞEKKÜRLERİMİZLE!<br />
Dikkatiniz için teĢekkürlerimizi sunar,<br />
soru <strong>ve</strong> katkılarınızı bekleriz !<br />
31
Change language